Efecto del dieléctrico en un capacitor

Efecto del dieléctrico en un capacitor La mayor parte de los capacitores llevan entre sus placas conductoras una sustancia no conductora o dieléctrica.

Efecto del dieléctrico en un capacitor Un capacitor típico está formado por láminas metálicas enrolladas, separadas por papel impregnado en cera. El condensador resultante se envuelve en una funda de plástico. Su capacidad es de algunos microfaradios.

Efecto del dieléctrico en un capacitor

Efecto del dieléctrico en un capacitor

Efecto del dieléctrico en un capacitor Los capacitores electrolíticos utilizan como dieléctrico una capa delgada de óxido no conductor entre una lámina metálica y una disolución conductora. Los condensadores electrolíticos de dimensiones relativamente pequeñas pueden tener una capacidad de 100 a 1000 [mf].

Efecto del dieléctrico en un capacitor La función de un dieléctrico sólido colocado entre las láminas es triple: Resuelve el problema mecánico de mantener dos grandes láminas metálicas a distancia muy pequeña sin contacto alguno. Consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que el capacitor es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica). La capacidad de un capacitor de dimensiones dadas es varias veces mayor con un dieléctrico que separe sus láminas que si estas estuviesen en el vacío.

Efecto del dieléctrico en un capacitor Sea un condensador de placas planas y paralelas cuyas láminas hemos cargado con cargas +Q y Q, iguales y opuestas. Si entre las placas se ha hecho el vacío y se mide una diferencia de potencial V0, su capacitancia y la energía que acumula serán

Efecto del dieléctrico en un capacitor Si introducimos un dieléctrico se observa que la capacitancia se incrementa. En el laboratorio de EyM se realiza el siguiente experimento: se coloca un material dieléctrico entre las placas de un capacitor y se mide su capacitancia, después se retira el dieléctrico y se mide nuevamente la capacitancia.

Efecto del dieléctrico en un capacitor Se observa que la relación entre el capacitor con dieléctrico y sin dieléctrico es: C C k e 0 donde k es una constante dieléctrica denominada permitividad relativa

Efecto del dieléctrico en un capacitor Y al producto de la constante dieléctrica (permitividad relativa) con la permitividad del vacío se le conoce como permitividad del material ε k ε e 0

Ejemplos de constantes dieléctricas. Dieléctrico Ámbar 2.7-2.9 Aire 1.00059 Baquelita 4-4.6 Mica 4.8-8 Plástico vinílico 4.1 Porcelana 6.5 Constante dieléctrica o permitividad relativa (ke)

Teoría molecular de las cargas inducidas. La disminución de la diferencia de potencial que experimenta el condensador cuando se introduce el dieléctrico puede explicarse cualitativamente del siguiente modo. Las moléculas de un dieléctrico pueden clasificarse en polares y no polares.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Las moléculas como H2, N2, O2, CO2 (átomo de carbono), etc. son no polares. Las moléculas son simétricas y el centro de distribución de las cargas positivas coincide con el de las negativas. Por el contrario, las moléculas N2O, HCL y H2O no son simétricas y los centros de distribución de carga no coinciden.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas de una molécula no polar llegan a desplazarse como se indica en la siguiente figura, las cargas positivas experimentan una fuerza en el sentido del campo y las negativas en sentido contrario al campo.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Este tipo de dipolos formados a partir de moléculas no polares se denominan dipolos inducidos.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Las moléculas polares o dipolos permanentes de un dieléctrico están orientados al azar cuando no existe campo eléctrico, como se indica en la siguiente figura.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Bajo la acción de un campo eléctrico, se produce cierto grado de orientación. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es el número de dipolos que se orientan en la dirección del campo.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Sean polares o no polares las moléculas de un dieléctrico, el efecto neto de un campo exterior se encuentra representado en la siguiente figura. Al lado de la placa positiva del capacitor, tenemos carga inducida negativa y al lado de la placa negativa del capacitor, tenemos carga inducida positiva.

Teoría molecular de las cargas inducidas. Capacitor con dieléctrico

Teoría molecular de las cargas inducidas. Como se ve en la parte derecha de la figura, debido a la presencia de las cargas inducidas el campo eléctrico entre las placas de un condensador con dieléctrico E es menor que si estuviese vacío E0.. Algunas de las líneas de campo que abandonan la placa positiva penetran en el dieléctrico y llegan a la placa negativa, otras terminan en las cargas inducidas. El campo y la diferencia de potencial disminuyen en proporción inversa a su constante dieléctrica kє/є0

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. Se conecta un capacitor de placas planas y paralelas a una batería de 10 V. Los datos del capacitor son: el área de cada una de sus placas es 0.07 [m^2], la distancia entre las mismas es 0.75 [mm]. Determinar: a) La capacitancia si el dieléctrico entre las placas es aire.

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. C 0 ε 0 A d 8.85 10 12 0.07 0.75 10 3 8.25 10 10 [ F] La carga Q y densidad de cargaσen las placas del capacitor es Q CV 8.25 10 10 10 8.25 10 9 [ C] σ Q A 8.25 10 0.07 9 11.8 10 8 C m 2

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. El campo eléctrico en el espacio comprendido entre las placas del condensador es E E 0 0 σ 11.8 10 ε 8.85 10 0 13333.33 N C 8 12

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. Si se desconecta el capacitor de la batería y se introduce un dieléctrico, por ejemplo, baquelita de k4.6, determinar el valor de la capacitancia C k C 0 4.6 8.25 10 10 3.8 10 9 [F]

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. La diferencia de potencial entre las placas, disminuye Q 8.25 10 V V' 9 C 3.8 10 9 2.17[ V]

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. El campo eléctrico E en el espacio comprendido entre las placas del condensador es E k E 0 13333.33 4.6 2898.6 N C

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. Podemos considerar este campo E, como la diferencia entre el campo Eo producido por las cargas libres existentes en las placas, y el campo Ei producido las cargas inducidas en la superficie del dieléctrico, ambos campos son de signos contrarios.

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. El campo E E σ σ ε σ ε l i l E 0 Ei 0 0 σ ε i 0 Con los datos contenidos en la expresión anterior se puede determinar la distribución de carga superficial inducida en el dieléctrico

Ejemplo de un capacitor con dieléctrico. σ i 11.8 10 σ 8.85 10 8.85 10 σi 2898.6 13333.33 12 8.85 10 8 i 2898.6 12 12 10434.73 8.85 C m ( 12 ) 8 10 9.23 10 2 La densidad de carga inducida en el dieléctrico es σi9.23 x 10-8 [C/m2]

En la siguiente figura se muestran los tres vectores eléctricos que se forman dentro de un capacitor con material dieléctrico entre sus placas Constantes dieléctricas y vectores eléctricos.

Constantes dieléctricas y vectores eléctricos. El campo producido por las cargas inducidas (Ei) se conoce como vector polarización p r

Vector polarización El vector polarización que tiene una intima relación con la densidad superficial de carga inducida en el bloque del dieléctrico y que por convención se considera positivo cuando sale de las cargas negativas del material dieléctrico hacia las cargas positivas de dicho material.

Vector polarización El vector polarización se define como: r r p P V donde : r r p es el momento dipolar p l es la dis tan cia entre las cargas q i l

Vector polarización La magnitud del vector polarización representa la densidad superficial inducida r P q l σ A l C i i σi V A l 2 m

Vector polarización El vector polarización se relaciona directamente con el campo eléctrico de la siguiente forma: r r P ε χ 0 e Donde: La constante ji se denomina susceptibilidad eléctrica, es adimensional y nos indica la forma como se comporta una sustancia al ser introducida en una región en la que existe un campo eléctrico, y su valor es típico para cada sustancia. También se puede relacionar esta constante con la constante dieléctrica ke, llamada permitividad relativa E

Vector polarización k 1 e Al producto permitividad relativa (constante dieléctrica) y permitividad del vacio se le denomina permitividad del material. k e ε0 + χ e ε Sustituyendo la penúltima en la última expresión se tiene ε k ε 1 0 ( + χ ) ε e 0

Propiedades de algunas sustancias dieléctricas Dieléctrico Susceptibilidad Permitividad relativa Campo eléctrico de ruptura [MV/m] Aire 0.00059 1.00059 0.8 Bakelita 3.8 4.8 12 Mica 2 a 5 3 a 6 160 Neopreno 5.9 6.9 12 Papel 2.5 3.5 14 Polietileno 1.3 2.3 50 Porcelana 5.5 6.5 4 Vacio 0 1 Infinito Vidrio 3.5 4.5 13

Vector desplazamiento El vector desplazamiento eléctrico se relaciona con el campo eléctrico de la siguiente forma: r rdonde D ε r E Donde: ε es la permitividad del material en cuestión.

Vector desplazamiento El vector desplazamiento tiene una relación intima con la carga libre o carga de la placa y no con la carga inducida en el dieléctrico, es decir r D A q l σ La magnitud del vector desplazamiento es igual a la densidad de carga libre en la placa, de ahí que sus unidades sean las de [C/m2]. l

Conclusión El campo vectorial de desplazamiento eléctrico, se representa por medio de líneas que empiezan en las cargas de la placa positiva y terminan en las cargas de la placa negativa, ya que este campo tienen relación sólo con las cargas libres.

Conclusión El campo vectorial de la polarización eléctrica, se representa mediante líneas que empiezan en las cargas inducidas negativas y terminan en las cargas inducidas positivas del dieléctrico, ya que el vector polarización esta en función de las cargas inducidas.

Conclusión El campo eléctrico, se representa por líneas que empiezan en cargas positivas y terminan en cargas negativas, sin importar si dichas cargas son libre o inducidas, ya que el campo eléctrico tiene relación con todo tipo de cargas.

Conclusión La relación entre los tres vectores es: r r D εeε r D ε k ε + ( 1 χ ) ε 0 e e 0 r ( 1+ χ ) ε E e 0 r r D ε0e r D + r P r E ε + χ ε 0 e 0 r E

Vectores eléctricos Los tres vectores eléctricos

Bibliografía. Gabriel A. Jaramillo Morales, Alfonso A. Alvarado Castellanos. Electricidad y magnetismo. Ed. Trillas. México 2003 Sears, Zemansky, Young, Freedman Física Universitaria Ed. PEARSON. México 2005